Велосипедные алюминиевые сплавы 6061 и 7005

Материалы для велосипедных рам

Большинство велосипедных рам делают из

  • стали и
  • алюминиевых сплавов.

Бывают еще рамы из

  • углепластика и
  • титановых сплавов.

Углепластик часто называют «карбоном», не утруждая себя переводом с английского: «carbon fiber». Два последних варианта – намного дороже двух первых.

Стальные рамы – это в основном рамы из хромомолибденовой стали 4130 (по-американски, ближайший отечественный аналог – легированная конструкционная сталь 30ХМА по ГОСТ 4543). Хорошо сделанная рама из хромоникелевой стали обладает необходимой прочностью, долговечностью и относительно мало весит.

Некоторые стальные рамы, в основном детских велосипедов, изготавливают из более дешевой углеродистой стали – они такие же прочные и долговечные, но потяжелее хромомолибденовых, потому что толще.

Большинство велорам из алюминиевых сплавов имеют примерно такую же прочность и массу, как и близкие им по цене рамы из хромомолибденовой стали. Их повышенная жесткость хороша для езды по горам или в спринте, но не для преодоления ям и кочек.  В отличие от стальных алюминиевые рамы не ржавеют.  С другой стороны, рамы из алюминиевых сплавов более подвержены усталостным разрушениям и менее ремонтопригодны, чем стальные. Однако хорошо сделанная алюминиевая рама прослужит верой и правдой много лет.

Рама – главная часть велосипеда и база для крепления всех остальных его частей. Рамы современных велосипедов делают обычно из труб, которые соединяют в виде так называемого «двойного треугольника». Эту форму называют также «diamond» — кому-то она напоминает ромб и даже, может быть, алмаз. Форма рамы за более чем сто лет почти не изменилась, хотя с развитием современных технологий и материалов и появилось много новшеств. В последние пару десятилетий особенно активно  искали новые материалы для рам, в том числе среди алюминиевых сплавов.

Качество велосипедной рамы как конструкции определяют четыре основных фактора:

  • жесткость,
  • прочность,
  • усталостная прочность и
  • вес.

Жесткость велосипедной рамы

Жесткость определяет способность конструкции упруго деформироваться: чем больше жесткость, тем меньше упругие перемещения элементов конструкции относительно друг друга. Упругие рамы смягчают удары об ямы и кочки, тогда как более жесткая рама будет передавать ездоку удары от каждой ямы и кочки. С другой стороны, более гибкая рама больше прогибается под нагрузкой, поглощая часть энергии, которая предназначена для движения вперед. Поэтому велосипедисты, которые хотят побеждать в спринте и гонках на время предпочитают жесткие рамы.

Прочность материала велосипедной рамы

Прочностные характеристики материала рамы – предел прочности и предел текучести – в нормальных условиях прямо не влияют на качество езды или ощущения от нее, но являются существенным фактором для стойкости рамы к сильному, «аварийному» удару. Прочная рама выдержит такой удар, а менее прочная – слабая — может и не выдержать.

Усталостная прочность велосипедной рамы

При нормальной езде каждый поворот педали, яма или кочка вызывают в раме небольшие циклические напряжения. Хотя эти напряжения и намного ниже предела текучести материала, за несколько сотен тысяч циклов нагружения они могут вызывать так называемые усталостные трещины и, в конечном счете, усталостное разрушение. Сопротивление материала этому типу разрушения называют усталостной прочностью. Если вы рассчитываете ездить на своем велосипеде несколько десятилетий, ваш вес выше среднего и вы редко слезаете с седла, то для вас усталостная прочность — важный фактор.

Вес велосипедной рамы

Вес, а точнее масса рамы, зависит от плотности материала и, конечно, конструкции рамы, в частности, толщины ее труб. Типичная рама весит от 1,5 до 3,0 кг, что составляет около четверти всего веса велосипеда. Впрочем, полный вес велосипеда часто в десять раз меньше, чем сам велосипедист в полном «боевом» облачении. Так что большинство велосипедистов и не заметят небольшой разницы в весе рам, если, конечно, им не придется долго карабкаться по горам на велосипеде или под ним.

Алюминиевые сплавы для велосипедных рам

Алюминиевые велосипедные рамы изготавливают главным образом из алюминиевых сплавов:

Некоторые другие алюминиевые сплавы, например, 7075 и 2014, более прочные, чем оба сплава 6061 и 7075, но они не годятся для изготовления велосипедных рам, так как их почти невозможно сваривать, по крайней мере, обычной аргонно-дуговой сваркой.

Часто считают, что алюминиевый сплав 6061 больше подходит для велосипедных рам, чем сплав 7005, хотя сплав 7005 и несколько более прочный. Прочность при растяжении сплава 7005-Т6 составляет 350 МП, а сплава 6061 – 310 МПа, предел текучести 290 и 275 МПа, соответственно.

Когда речь идет о прочности рамы в целом, то большие различия в прочности возникают из-за качества сварных швов, выбора формы труб и их толщины, а также общей конструкции рамы. На самом деле, при тех нагрузках, которым обычно подвергается велосипедная рама, различий между алюминиевыми сплавами 6061 и 7005 практически нет, поскольку напряжения, которые возникают в раме, достаточно далеки от этих предельных величин.

Алюминиевый сплав 6061

Алюминиевый сплав 6061 — полный аналог отечественного сплава АД33 по ГОСТ 4784-97 — принадлежит  к серии алюминиевых сплавов 6ххх (Al-Mg-Si). Основными легирующими элементами являются:

  • магний (0,8-1,2 %) и
  • кремний (0,40-0,6 %),
  • а также медь (0,15-0,40 %)  и
  • железо (до 0,7 %).

Сплав 6061 обладает довольно высокой прочностью, легко сваривается и широко применяется не только для изготовления велосипедных рам, но и в строительстве, самолетостроении, судостроении.

Как и все сплавы серии 6ххх сплав 6061 является термически упрочняемым сплавом. Термическая обработка, которая применяется для уже сваренных рам, заключается в нагреве до 530 °С, интенсивном охлаждении водой и искусственном старении при температуре около 180 °С в течение 8 часов. Алюминиевый сплав 6061 после такой обработки обозначают 6061-Т6.

Алюминиевый сплав 7005

Алюминиевый сплав 7005 принадлежит к серии алюминиевых сплавов 7ххх без легирования медью (Al-Zn-Mg). Основные легирующие элементы:

  • цинк (около 4,5 %) и
  • магний (около 1,4 %).

Алюминиевый Сплав 7005, также как сплав 6061, является термически упрочняемым. Однако, в отличие от сплава 6061, который требует довольно быстрой и интенсивной закалки водой при его термической обработке, для сплава 7005 в этом случае достаточно охлаждения воздухом.

Некоторые главные производители велосипедов с алюминиевыми рамами декларируют применение специальных алюминиевых сплавов или специальной обработки алюминиевых сплавов для улучшения свойств рам.  Похоже, часто это скорее маркетинговые ходы, чем «прорывы» в металловедении алюминия.

Брендовые алюминиевые сплавы

Например, известная фирма Giant применяют свой, брендовый алюминиевый сплав «AluxX». При этом обычный «AluxX» — это просто алюминиевый сплав 6061, но с особой конструкций «баттинга», технологии гидроформинга и термической обработки.

Баттинг (от английского – butting) – утолщение труб критических сечениях, чаще на концах труб.Гидроформинг – формовка труб путем помещения их в специальные матрицы и закачки им внутрь воды или специального масла под высоким давлением.

Более продвинутый сплав «AluxXSL» отличается от сплава 6061 чуть большим содержанием меди.

Фирма Trek применяет бренды:

  • Alpha White Aluminum и Alpha Black Aluminum — это обычный сплав 6061,
  • Alpha Red Aluminum – термически упрочненный алюминиевый сплав 7075.

Источник: http://www.brightspoke.com/c/understanding/bike-frame-materials.html